安全儀表系統(tǒng)(SIS)中的現(xiàn)實共因問題必須由用戶在每個應(yīng)用中進行量化。供應(yīng)商和第三方通常使用白皮書分析來提供產(chǎn)品的安全數(shù)據(jù)，但此類的SIS問題并不能通過這樣的方法來量化。 

　　由于此類問題是影響多個設(shè)備的"共同原因"，因此無法通過應(yīng)用冗余來解決。本文將詳細介紹在實際生產(chǎn)實踐中，與壓力、溫度、流量和液位測量相關(guān)的最常見的共因問題案例，并提供了有助于將對安全的影響降至最低的推薦設(shè)計實踐。設(shè)計師需要考慮，如何通過多樣性，使用不同的方法或技術(shù)，來避免哪些問題。

　　流量測量的共因問題

　　很多問題都會導(dǎo)致流量計故障或讀數(shù)不正確。在安全應(yīng)用中，最重要的問題如下所列：

　　● 故障是否會導(dǎo)致儀表讀取錯誤流量，而不會對用戶發(fā)出任何警告？這被定義為隱蔽故障（有時也稱為未檢測故障）。如果測量錯誤會影響安全，例如，冷卻回路中的流量讀數(shù)錯誤，則這是"危險"故障，因為它可能導(dǎo)致過程過熱。請注意，如果冷卻回路中的流量錯誤導(dǎo)致讀數(shù)太低，這將是"安全"故障，因為它不會造成危險工況，當(dāng)然它可能會導(dǎo)致不必要的停機。危險的、隱蔽的故障影響安全；"安全"和顯式的故障則會影響可用性。

　　● 故障是否會以同樣的方式影響第二個（甚至更多）儀表？在這種情況下，冗余也于事無補；這就是共因問題。

　　測量流量的常用方法是通過差壓(dP)來測量。在管線中使用限制元件（孔板和平均皮托管等）來產(chǎn)生壓降，并由dP變送器測量壓降。使用伯努利原理，通過dP來計算流量。dP流量計因其通用性和熟悉性而經(jīng)常被使用。如果選擇、安裝和維護正確，這種方法具有較高的重復(fù)性和合理的永久壓力損失。不幸的是，在某些應(yīng)用中，它可能會帶來嚴重的安全問題：

　　● 流體特性（如成分或密度）的變化，會影響可重復(fù)性（盡管用戶可以嘗試進行補償）。

　　● 流體不干凈或環(huán)境溫度較低，可能會減慢或堵塞傳感管線。

　　● 夾帶的氣體或液體（取決于測量對象是液相還是氣相）會使測量產(chǎn)生偏差或聚集在傳感線中并減慢響應(yīng)時間。

　　● 臟流體會阻塞、沉積或侵蝕主要元件（孔板或其它），從而導(dǎo)致偏差。

　　● 多螺紋連接增加了意外排放和泄漏的可能性，在寒冷環(huán)境中，如果用戶選擇了ANSI而不是ISO歧管，更是如此。

　　● 如果指定多個部件然后在現(xiàn)場組裝，則存在出現(xiàn)錯誤的風(fēng)險（除非用戶指定集成儀表，并由供應(yīng)商進行預(yù)組裝和壓力測試），從而導(dǎo)致測量錯誤或潛在泄漏（參見圖1）。

圖1：預(yù)組裝、經(jīng)過泄漏測試的dP流量計，可以最大限度地降低工程和組裝錯誤、意外排放和泄漏的風(fēng)險。圖中顯示了單和雙（冗余）配置。本文圖片來源：Emerson

　　● 驗證測試：大多數(shù)用戶只檢查dP變送器是否漂移，傳感線有沒有堵塞。很少檢查主要元件本身，不是因為它不會出現(xiàn)故障，而是因為它通常無法訪問以進行檢查。

　　其它一些技術(shù)使用頻率較低，但在安全應(yīng)用中也存在相應(yīng)問題，例如：

　　● 在渦輪流量計內(nèi)部，任何部件的碎片、堆積、粘合、磨損或損壞，都可能導(dǎo)致讀數(shù)偏高或偏低。在使用外部校驗儀對儀表進行驗證測試之前，可能沒有任何跡象向用戶表明這種情況正在發(fā)生。

　　● 如果電磁流量計用于冷卻應(yīng)用，用戶需要驗證是否有非導(dǎo)電液體（如去離子水）進入系統(tǒng)的風(fēng)險。如果有的話，流量計的讀數(shù)可能會很低或有噪音。

　　● 電磁流量計可能會遇到接地、襯里和電極的問題，盡管現(xiàn)代設(shè)備可以使用診斷和驗證來檢測其中的一些問題。

　　● 大多數(shù)流量計都要求兩側(cè)有直管，以確保流量在管道中均勻分布。不幸的是，很多儀表都使用簡單的、舊的準則來安裝?，F(xiàn)代標準（如ISO-5167）可能需要50或更多倍直徑的直管以確保精度，具體取決于上游的干擾情況。

　　如果存在發(fā)生上述任何問題的風(fēng)險，用戶必須量化該風(fēng)險以進行安全分析。然后，他必須執(zhí)行定期驗證測試以檢測問題。所需的驗證測試頻率，取決于用戶對特定應(yīng)用中出現(xiàn)問題頻率的估計。

　　在項目的設(shè)計階段，量化問題發(fā)生的可能性及其頻率是一項挑戰(zhàn)。用戶需要依靠經(jīng)驗（例如，以另一家工廠類似工藝運營期間獲得的故障記錄作為參考）來回答以下問題：

　　● 在類似應(yīng)用中所安裝的100條引壓管中，在任何給定時間內(nèi)，有多少條可能會在工廠運行期間被堵塞？

　　● 如果今天維護人員確認管線沒有阻塞控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，那么在未來多久該管線會阻塞？

圖2：帶有雙脫落桿和四個獨立傳感器的單渦街流量計，其中三個連接到SIS，一個連接到BPCS。該設(shè)計安全且極其可靠。儀表不包含會堵塞的端口或縫隙，沒有墊圈泄漏，傳感器不會接觸流體。

　　建議用戶不要花費大量時間，來試圖量化每個應(yīng)用共因的可能性和頻率，而是建議用戶改進設(shè)計以消除原因。如果無法用更好的設(shè)計來消除，可能導(dǎo)致多個儀表讀取錯誤流量的問題，則用戶應(yīng)考慮采用多樣性技術(shù)。對于流量測量的安全應(yīng)用，最常見的是渦街和科里奧利流量計。

　　渦街流量計

　　渦街流量計使用馮·卡曼效應(yīng)：當(dāng)流體通過非流線體時，會產(chǎn)生重復(fù)的旋渦模式。渦流形成的頻率隨流量呈線性變化，這是渦街流量計的主要優(yōu)勢之一。傳感器脫落桿的少量沉積或堵塞會削弱信號，但不會改變測量的流量值。隨著沉積和堵塞的增加，頻率信號將逐漸變?nèi)?，直到流量信號完全丟失。

　　雖然這是一種"安全"而非危險的故障（沒有流量而不是錯誤的流量），但它仍然會影響可用性。出于這個原因，如果用戶因為抗臟流體沉積和堵塞而考慮使用渦街而不是其它技術(shù)ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，他們應(yīng)該確保所考慮的渦街流量計本身具有抗沉積和堵塞的能力。這可以通過選擇帶有非接觸式傳感器且沒有內(nèi)部端口或縫隙的儀表來實現(xiàn)。如果用戶選擇渦街來減少潛在的泄漏點，他們應(yīng)該選擇可以在沒有濕O型圈或墊圈的情況下安裝的設(shè)備。

　　在夾帶大顆?；蚰ノg性顆粒的流體中，用戶應(yīng)考慮使用帶有雙脫落桿的渦街流量計（見圖2）。在大多數(shù)應(yīng)用中，第一根脫落桿最容易受到堵塞或磨損；用戶可以通過監(jiān)控在第一桿和第二桿上測得的信號之間的差異，來檢測任何校準偏移。可以為每個脫落桿指定單或雙變送器控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因此在單個裝置中，用戶最多可以將3個獨立的變送器連接到SIS，第4個變送器連接到基本過程控制系統(tǒng)。

　　在很多安全應(yīng)用中所處過程都很危險，比如燃燒過程中火焰熄滅或壓縮機進入喘振狀態(tài)，因此一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是了解在低流量條件下測量會發(fā)生什么事。對于dP流量計，隨著流量的減少，誤差會變大，但理論上，該流量計可以提供幾乎為零的輸出。雖然在流量降低時，渦街流量計可以保持其精度ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，但低于某個最小雷諾數(shù)時，渦街流量計根本不會記錄任何流量。請注意，限制基于雷諾數(shù)，而不僅僅是流量，在碳氫化合物應(yīng)用中很重要。

圖3：像較大的儀表一樣，將減速渦街流量計安裝在同一管道中，可以測量雷諾數(shù)較低的流量。

　　由于大多數(shù)碳氫化合物在冷態(tài)時具有較高的粘度，因此在啟動時，渦街流量計可能不會讀取任何流量，直到流體變熱。如果SIS將無流量解釋為故障情況（這很常見），有可能會導(dǎo)致無法啟動。為避免這種情況，用戶應(yīng)確保在啟動時對過程加熱或調(diào)整渦街流量計的規(guī)格，以滿足這些低流量、高粘度的啟動條件。一種解決方案可能是減速器渦流，它在法蘭內(nèi)包含一個較小的儀表主體和更長的儀表管線鋪設(shè)長度（見圖3）。

　　高可靠性渦街流量計具有固有的耐臟流體能力，并且易于正確安裝。此外，還提供診斷功能以確保安全安裝和操作，并簡化正在進行的驗證測試。這些驗證測試不需要過程停機或停用外部設(shè)備。在可能包含大到足以阻塞脫落桿的碎屑的流體中，用戶可以指定一個上游端口，允許插入攝像頭進行定期的目視檢查。雖然相機檢查是離線完成的，但它比拆卸、檢查然后重新安裝儀表要容易得多。供應(yīng)商會在出廠時校準儀表并安裝檢查端口，以確保不影響精度。

　　科里奧利流量計

　　科里奧利流量計可直接測量質(zhì)量流量、密度和溫度，并由此計算體積流量。它可以在廣泛的流量范圍內(nèi)提供高精度，并且?guī)缀醪皇苊芏?、粘度或成分等流體特性變化的影響?？评飱W利流量計不需要在任何一側(cè)有直管控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，可以簡化安裝并避免因直管不足而導(dǎo)致故障。它還允許用戶將整個儀表布置在易于測試或檢查的位置（請注意，很多孔板位于管架中維護人員難以接近，主要是在這里用戶可以找到所需的直管）。與渦街流量計一樣，科里奧利流量計易于設(shè)計和安裝。

　　盡管科里奧利流量計往往是可靠的，但用戶應(yīng)該意識到存在兩相流的風(fēng)險：液體中夾帶氣體，或氣體中夾帶液體。這通常會在粘度較高的流體或批處理應(yīng)用中出現(xiàn)，即使實際流體量（質(zhì)量）沒有改變，也會導(dǎo)致平均體積流量的增加。盡管現(xiàn)代渦街流量計可以檢測到相變并提醒用戶，但這仍會導(dǎo)致大多數(shù)體積流量計出現(xiàn)重大錯誤。直接測量質(zhì)量的科里奧利儀表，尤其是具有數(shù)字信號處理功能的現(xiàn)代智能儀表，受到的影響最小。

　　然而，就像在離心機中，旋轉(zhuǎn)將較重的成分與較輕的成分分離，由于科里奧利管振動得更快，輕的氣體和重的液體可以分離并在管中以不同的速度移動，從而導(dǎo)致顯著誤差。因此，在可能出現(xiàn)兩相流的應(yīng)用中，用戶應(yīng)指定使用低驅(qū)動線圈頻率的科里奧利儀表并具有兩相檢測功能（參見圖4）。

　　為SIS設(shè)計的設(shè)備，包含檢測內(nèi)部電子故障的特殊診斷。這些診斷通常無法由用戶配置或訪問，但是當(dāng)它們檢測到內(nèi)部危險故障時，它們會自動強制設(shè)備進入安全狀態(tài)。這提供了更高的安全性，允許第三方安全實驗室對設(shè)備進行驗證或認證，以達到特定的安全完整性等級(SIL)。

圖4：隨著氣體成份(GVF)的增加，低驅(qū)動頻率可最大限度地減少流量誤差。

　　現(xiàn)代科里奧利儀表還提供按需診斷功能，允許用戶提高現(xiàn)場驗證測試的覆蓋范圍，從舊設(shè)備典型的50%增加到90%以上。這允許用戶延長綜合驗證測試之間的間隔。由于綜合驗證測試要求儀表停止使用，并連接到外部流量驗證儀器或發(fā)送到校準實驗室，因此理想情況下可以將時間間隔延長至工廠計劃停機期間。

　　如果在應(yīng)用中，用戶識別或觀察到任何隱蔽或危險的共因故障模式，他們必須為其安全分析量化這些故障發(fā)生的可能性和頻率，以確定驗證測試間隔。但對新設(shè)計的工藝流程，這些方法都不適用，因此除非可以通過更好的設(shè)計消除問題，用戶通常會選擇一種完全不受共因故障影響的多樣化技術(shù)來確保系統(tǒng)的安全性。對于流體應(yīng)用，應(yīng)該考慮的兩種技術(shù)分別是渦流和科里奧利。（作者：MarkMenezes）